NMOHEMS探头外形对其下沉运动的影响分析

NMOHEMS探头是一种由无人机运载的小型投掷式探头,采用混合网格技术结合湍流模型,建立了探头下沉运动的数值计算方法,分析了导流腔、收缩段及尾翼对探头下沉运动的影响;通过6种外形探头在不同雷诺数下的阻力系数和相同质量下的极限速度对比,发现探头外形对其下沉运动数值计算的结果影响较大;其中导流腔和收缩段均具有明显的减阻作用,且收缩段的影响更大,而尾翼具有一定的增阻作用;lgRe在2.3～3.8时,6种外形探头的阻力系数差别较大,随着雷诺数的增加,阻力系数均迅速减小;lgRe在3.8～5.1时,6者的阻力系数比较接近,虽仍然保持减小趋势,但变化趋于缓慢。NMOHEMS探头的体型较小,下沉速度较慢,对其下沉运动进行数值计算时,必须考虑外形对数值计算结果的影响。

NMOHEMS剖面探头阻力系数数值计算与实验

NMOHEMS剖面探头主要用于快速获取海洋水文剖面资料,剖面探头投放后,运动时间和下落距离关系的确定将直接影响到剖面测量结果的准确性。在玻璃水箱和水库2种环境下,分别设计实验方法。在玻璃水箱实验中,利用高速摄像记录不同质量剖面探头的下落过程,编写图像处理程序、完成数据处理和误差分析;水库实验在船上进行,自主研制水面实验装置,对影响因素进行修正,以提高实验结果的真实可靠性。剖面探头稳定下落时的雷诺数在104～105范围内,针对这一特点采用数值计算方法进行三维粘性流场数值模拟。结果表明,阻力系数随着雷诺数的增加而减小,数值计算结果与实验结果吻合较好,验证了该数值计算方法的正确性,可为NMOHEMS系列化探头的设计提供参考。

NMOHEMS探测单元的三维建模与快速成型

探测单元是新型远海机动水文环境监测系统(NMOHEMS)的关键部件,用于探测温度、水深、盐度等水文要素,其内部搭载的水文要素传感器探头是获取各水文要素的最终执行者,与陆地作业探测仪器相比,其机械结构、控制系统更复杂。为完成探测单元模型制作、运动仿真及水上试验,在前期完成的探测单元结构设计基础上,借助Inventor软件快速建立探测单元零部件三维实体模型,并利用三维快速成型技术完成模型初样制作。制作初样表明:基于三维零件模型的成形工艺,大大缩短研发周期,增强了设计的可信度。

NMOHEMS探头模型的制作及实验方法研究

NMOHEMS探头设计的有效性及其运动的CFD仿真计算方法都需要实验进行检验,利用计算机辅助设计结合三维快速成型技术制作了探头模型,在实验室水箱和水库两种环境下设计并完成了模型实验。其中,水箱实验利用有限实验水深,精确调整探头质量,利用高速摄像和图像处理技术,对多个较小质量探头的下沉运动进行了精密测量,详细的误差分析和修正后,获得不同质量探头运动的下落曲线和极限速度,以调整CFD仿真计算方法;水库实验利用自主研制的实验装置,对较大质量探头的下沉运动进行测量,误差修正后的极限速度为1.923m/s,验证了探头设计的有效性。

NMOHEMS机载单元气动弹射模型研究

针对NMOHEMS现场探测单元无人机运载的运作机制,需求一种小型化,易于自动控制的投放系统。基于系统对安全性和可靠性的要求,探索使用压缩空气弹射现场探测单元,压力筒内空气的压力Px,现场探测单元的质量M与现场探测单元出口处速度v之间的关系成为研究的核心问题。建立了机载单元水平弹射和垂直弹射的数学模型,并对该模型进行了仿真计算。研制了压力筒的样机模型和自动控制系统,实施了现场探测单元水平弹射的外场实验,获得了实验数据。研究结果表明:仿真结果与实验数据一致,对系统的优化具有很好的指导意义,此种方法可以满足机载和弹射的需求,提供了一种现场探测单元安全投放的新方法。

NMOHEMS布放系统可靠性的Petri网分析方法

针对NMOHEMS布放系统的使用背景和工作原理,分析了对布放系统进行可靠性分析的重要性。根据NMOHEMS布放系统的工作过程,构建了系统的故障树模型,阐述了布放系统各个事件之间的逻辑关系。结合Petri网模型对故障树进行表示和简化,并使用Petri网描述了系统的动态性质和结构性质,弥补了传统故障树分析法的不足。理论分析和实例验证结果表明,该方法可以减少计算量,且易于在计算机上实现,为系统的可靠性分析和优化设计提供了理论基础。

NMOHEMS剖面探头下沉实验装置研制

针对NMOHEMS对剖面探头深度探测精度的需求,需测试和验证剖面探头的下沉性能参数。以89C52单片机为核心,采用软、硬件结合,设计一种高精度的水库实验装置,对装置进行误差分析,并验证计时器的计时精度。实验结果表明:装置结构简单,工作稳定,自身系统误差为0.00036s,重复性误差为±0.148%,可满足系统对计时精度的要求,获取了剖面探头下沉的实验数据,为测量剖面探头下沉性能参数提供新方法。

NMOHEMS探头下沉运动的三维仿真方法研究

为研究NMOHEMS探头下沉运动过程中各运动参数及流场的变化情况,基于转捩模式,采用三维动态混合网格模型的动网格技术,建立了NMOHEMS探头下沉运动的三维仿真方法,实现了对探头下沉过程的数值仿真;并对转捩的临界雷诺数进行了分析,通过选取不同雷诺数进行转捩,并将计算结果与实验结果对比,初步判断常温淡水环境下转捩的临界雷诺数约为300;仿真计算结果中的深度、速度和加速度变化均与实验结果吻合较好,证明了该三维仿真方法是合理可行的。工作可为NMOHEMS系列探头的设计及其运动的数值仿真提供理论基础。

NMOHEMS机载单元自动加压系统设计

针对NMOHEMS机载单元需要对9个压力筒分时加压的实际需求,设计了一种单传感器和单气源组成的自动加压系统。以AT89C52单片机为核心,依靠多路切换阀和高精度的压力传感器可实现对多压力筒的分时测控。实验结果表明:本系统结构简单,工作稳定,控制精度较高,能够满足现场探测单元自动弹射的需求。该系统可以人机交互进行加压控制,也可以自动控制,为多气路加压和控制提供了一种有效方法。

质量比对NMOHEMS现场探测单元中气体生成速度影响的研究

针对NMOHEMS现场探测单元壳体需实现自动膨胀的需求,探索了一种化学法生成气体实现壳体膨胀的新方法。借助于化学的理论和实验方法,选取NaHCO3和C6H8O7.H2O作为化学反应物。化学反应速度是决定现场探测单元能够安全膨胀的关键因素,分析了影响化学反应速度的因素,定量研究了质量比与CO2气体生成速度的关系。使用误差理论与数据处理的方法,剔除了粗大误差,采用多项式曲线拟合和指数曲线拟合,得到不同质量比n和CO2气体生成速度r之间的函数关系。实验结果表明:指数拟合的残余标准差σ为1.452,相关系数R2为0.989 8,与多项式拟合相比,效果更为理想,为化学法应用于壳体膨胀提供理论基础。